입방정계 질화붕소 콤팩트 document_id A220623107824

질화붕소는 전형적으로 3가지의 다결정 형태, 즉 입방정계 질화붕소(cubic boron nitride, CBN), 육방정계 질화붕소(hexagonal boron nitride, hBN) 및 우르차이트계 질화붕소(wurtztic boron nitride, wBN)로 존재한다. 입방정계 질화붕소는 다이아몬드와 유사한 구조를 갖는 질화붕소의 경질 섬아연광(zinc blende)이다. CBN 구조에 있어서, 원자간에 형성된 결합은 강하며, 주로 정사면체 공유 결합이다. CBN을 제조하는 방법은 당분야에 주지되어 있다. 상기 방법들 중 하나는, 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 납, 주석 및 이들 금속의 질화물을 포함하는 특정 촉매 첨가물의 존재 하에, hBN을 매우 높은 고압 및 고온 처리한다. 온도와 압력을 낮추면, CBN을 회수할 수 있다. CBN은 기계공구 등에 상업적으로 널리 이용되고 있다. 이것은 연삭 휠(grinding wheel), 절삭공구 등에 연마 입자로서 사용되거나, 또는 종래의 전기도금기술을 이용하여 공구 인서트(tool insert)를 형성하도록 공구 본체에 접착될 수 있다. 또한, CBN은 PCBN으로 공지된 CBN 콤팩트로서, 접착된 형태로 사용될 수도 있다. CBN 콤팩트는 우수한 연마 마모성을 가지며, 열적으로 안정하고, 높은 열전도성, 우수한 내충격성 및 소재(wordpiece)와의 접촉시 낮은 마찰계수를 가진다. 다이아몬드는 CBN보다 경질로서 공지된 유일한 것이다. 그러나, 다이아몬드는 철 등의 특정 물질과 반응하는 경향이 있기 때문에, 철 함유 금속을 사용하는 작업에는 이용될 수 없으므로 이 경우에는 CBN을 사용하는 것이 바람직하다. CBN 콤팩트는 CBN 입자의 소결된 다결정 덩어리를 포함한다. CBN 함량이 상기 콤팩트의 75 부피%를 초과하면, CBN 대 CBN의 접촉량 및 결합량이 많아진다. CBN 함량이 낮으면, 예컨대 콤팩트의 40 내지 60 부피%의 범위이면, CBN 대 CBN의 접촉 정도 및 결합 정도가 낮아진다. 또한, CBN 콤팩트는 일반적으로 알루미늄, 규소, 코발트, 니켈, 티타늄, 크롬, 텅스텐 및 철을 함유한 하나 이상의 상을 포함하는 결합제를 함유할 수 있다. 사실상 세라믹일 수 있는 추가의 2차 경질 상이 존재할 수도 있다. 적절한 세라믹 경질 상의 예로는, 4족, 5족 또는 6족의 전이금속의 탄화물, 질화물, 붕소화물 및 탄소질화물, 및 그 혼합물이 있다. CBN을 제외한 조성물 내의 모든 성분을 구성하도록 매트릭스가 정의된다. CBN 콤팩트는, 공구 인서트(insert) 또는 공구의 형성에 있어서 공구 본체에 직접 접착될 수 있다. 그러나, 많은 용례에서, 콤팩트는 기재/지지체 물질에 접착되어 지지된 콤팩트 구조를 형성한 다음, 이어서 상기 지지된 콤팩트 구조가 공구 본체에 접착된다. 기재/지지체 물질은 코발트, 니켈, 철, 또는 이들의 혼합물 또는 합금과 같은, 결합제 상과 함께 결합되는 초경화 금속 탄화물(cemented metal carbide)이다. 상기 금속 탄화물 입자는 탄화 텅스텐, 탄화 티타늄 또는 탄화 티타늄 입자 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 다결정 CBN 콤팩트 및 지지된 콤팩트 구조를 제조하기 위한 공지된 방법은 CBN 입자의 비소결된 덩어리를 고온 및 고압 조건, 즉 상기 CBN이 적절한 시간 동안 결정학적으로 안정한 조건에 두는 단계를 포함한다. 결합제 상은 입자의 결합을 강화하는데 이용될 수 있다. 사용되는 고온 고압(HTHP)의 일반적인 조건은 1,100℃ 이상의 온도와 약 2 GPa 이상의 온도이다. 이러한 조건을 유지하는 시간은 일반적으로 약 3 내지 120 분이다. 기재를 갖거나 갖지 않는 소결된 CBN 콤팩트는 종종 사용될 특정 절삭 또는 천공 공구에 적합한 크기 및/또는 형상으로 절삭된다. 고 CBN 물질(PCBN으로도 알려짐)은 회주철(grey cast iron), 분말야금(PM) 강, 고크롬 주철, 백주철(white cast iron) 및 고 망간 강 등의 기계가공에 주로 사용된다. 고 CBN 물질은 통상적으로 러핑(roughing) 및 헤비 인터럽트(heavy interrupted) 기계가공 작업에 사용된다. 특정한 경우에, 회주철 및 분말야금(PM) 강의 마무리 기계가공 등의 마무리 기계가공에 사용되기도 한다. 이와 같이 PCBN의 광범위한 적용은 높은 내연마성, 높은 에지 보전성, 높은 강도, 높은 인성 및 높은 내열성을 갖는 물질을 요구한다. 이들 특성의 조합은 높은 CBN 함량(75 부피% 이상)을 갖는 물질과, CBN과 함께 고강도 결합을 형성하는 결합제 상에 의해서만 성취될 수 있다. CBN은, 경도, 강도, 인성, 높은 열전도성, 높은 내연마성 및 철함유 물질과 접촉시의 낮은 마찰계수를 제공하는 고 CBN 물질의 가장 중요한 성분이기 때문에, 결합제 상의 주요 기능은 구조 내에서 CBN 입자를 초경화(cementation)하고 복합체 내의 CBN 특성을 보완하는 것이다. 따라서, CBN과 비교할 때, 고 CBN 복합체 설계에서의 보다 약한 고리는 결합제 상이다. 미국 특허 6,316,094호 및 유럽 특허 1,043,410호 양자는 낮은 CBN 함량, 즉 70 부피% 미만의 다결정 CBN 콤팩트를 제조하는 방법을 개시한다. 이러한 CBN 콤팩트는 총 CBN 함량 및 비 CBN 매트릭스(non-CBN matrix)의 기능 또는 역할 면에서 본 발명의 콤팩트와는 실질적으로 다르다. CBN 함량이 높은 물질과 낮은 물질은 서로 근본적으로 다르다는 것은 당분야에 주지되어 있으며, 이는 광범위하게 다른 용도에서 사용됨으로써 증명된다. 낮은 CBN 함량의 콤팩트 매트릭스 물질은 2차 경질 상 및 결합제 상을 포함하며, 이때 2차 경질 상이 매트릭스 내의 주요 물질이다. 이러한 콤팩트에서, 매트릭스 상(특히, 2차 경질 상)은 그 자체로 특정 용도에서 콤팩트의 성능을 결정하는데 중요한 역할을 한다. 이러한 매트릭스 상은 2차원적으로 연속되기에 충분한 양(30 부피% 초과)으로 존재한다. 상기 인용된 특허의 몇 가지 예에 있어서, 2차 경질 상, 결합제 상 및 CBN은 어트리션 밀링(attrition milling)으로 처리된다. 밀링의 목적은 부서지기 쉬운 2차 경질 상 물질의 크기를 감소시키고, 결합제, 2차 경질 상 물질 및 CBN 입자를 균질하게 분포시키는 것이다. 고 CBN 함유 다결정 콤팩트에서, CBN은 특정 용도에서 성능을 결정하는데 주요 역할을 한다. 매트릭스의 역할은 주로 CBN 입자들 사이의 반응 결합을 촉진시켜서 입자들을 함께 초경화시키는 것이다. 보다 높은 CBN 함량 및 강한 초경화 결합의 형성 요구는, 고 CBN 함유 콤팩트 내의 매트릭스 혼합물이 연성의 결합제 상 물질을 상대적으로 보다 많이 함유하는 것을 필요로 한다. 콤팩트는 몇 가지 수준의 2차 경질 상 물질을 함유할 수 있다.